澜沧江流域不同蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换关系

刘翠善， 李海川， 王国庆， 王乐扬， 万思成

(1.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京210029; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京210098; 3.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098; 4.宁海中学，江苏 南京 210026)

澜沧江流域不同蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换关系

刘翠善1,2， 李海川1,3， 王国庆1,2， 王乐扬4， 万思成1,3

(1.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京210029; 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京210098; 3.河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098; 4.宁海中学，江苏 南京 210026)

水面蒸发的同化处理是分析水面蒸发时空变化规律的前提和基础工作。基于澜沧江流域典型站点的水面蒸发同步观测资料，分析了不同蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换关系。结果表明：①澜沧江流域不同站点的蒸发折减系数存在一定的差异，中上游站点的蒸发折减系数小于下游站点；蒸发折减系数在春季较小，在冬季相对较大；②不同蒸发皿观测值之间具有很好的线性相关性，相关系数均在0.95以上；③不同蒸发皿水面蒸发量之间的转换关系能够有效地进行澜沧江流域水面蒸发的同化处理，水面蒸发量的计算值与实测值非常接近，能够满足水面蒸发计算的精度要求。

水面蒸发；蒸发折减系数；转换关系；澜沧江流域

蒸发是陆地水文循环的关键环节，是流域水量损失的重要途径，陆地上约60%以上的降水消耗于蒸散发[1]。由于目前尚缺少对流域蒸散发观测的有效手段，所以主要采用不同的蒸发皿进行水面蒸发观测，进而分析蒸发能力变化及其影响因素[2-3]。中国对水面蒸发的观测先后采用的蒸发皿主要包括20、80 cm口径蒸发皿和E601型蒸发皿。由于不同蒸发皿观测的水面蒸发量存在一定的差异，因此，很难直接采用不同蒸发皿的实测值进行蒸发能力的演变规律分析。相比而言，E601型蒸发皿所测得的蒸发量最接近代表天然水体的蒸发量，小型蒸发皿的实测值约为E601型量测值的1.3～1.8倍[4]。研究不同蒸发皿实测蒸发量之间的转化关系，对保障资料序列的一致性，科学认知蒸发演变规律和开展陆地水文循环研究具有重要意义。

在20世纪70、80年代前后，中国在一些气象站、水文站利用不同蒸发皿进行了不定时间长度的蒸发同期观测，以期建立不同蒸发皿量测值之间的折算关系。目前，大多数研究以E601型蒸发皿的量测值为基础，采用比值系数折减法对其他不同器皿量测的蒸发量进行统一折减到E601量测的水平[5]。一些水文、气象工作者先后对不同站点的同期观测资料进行了对比分析，提出了不同区域的蒸发折减系数[4-8]。刘小宁等研究发现，不同蒸发皿之间的蒸发折减系数存在较大的区域性差异[6]；杨允凌等分析认为，折减系数在年内分配和年际间的变化也较大[7]；崔凤梅初步分析了不同蒸发皿量测差异的原因，认为除了仪器本身的性能和安装位置的影响之外，气温、相对湿度、风速、气压和降水等都可对蒸发量测值产生一定的影响[8]。因此，一个区域的研究成果很难直接移植用到其他区域。本文在系统整理澜沧江流域同期水面蒸发观测资料的基础上，建立了不同蒸发皿观测值之间的定量关系，对比分析了不同蒸发皿观测值之间的转换方法在资料同化处理中的有效性。

1 资料与方法

1.1 研究流域及资料

澜沧江位于湄公河上游，是我国西南地区的国际跨境河流之一。流域地处东经94°～102°和北纬21°～34°之间，上下宽广、中间纤细，呈现西北—东南走向的纺锤形状，如图1所示。澜沧江干流全长约2 130 km，允景洪站以上控制流域141 380 km2。流域海拔从500 m左右到6 000 m以上，高差悬殊，覆盖寒带、寒温带、温带、暖温带、亚热带、热带等多种气候带；具有复杂的地形和水热分布差异。

澜沧江流域同步水面蒸发资料较少，仅在香达、塘上、炼城、江桥、光明、允景洪6个站点进行了1～3 a的同期水面蒸发观测，观测站点分布如图1所示。

表1给出了同步观测站点及同步水面蒸发观测资料的基本信息。由表1可以看出：①香达、塘上和光明站只进行了1 a的同期观测，江桥站观测年份相对较多，进行了3 a的同期观测；②在所有站点的多数观测年份中，只进行了2种类型蒸发皿的同期观测，仅江桥站在1985年进行了3种蒸发皿的同期观测。

图1 澜沧江流域水系及水面蒸发同步观测站点位置示意图

编号站名东经北纬同步观测年份蒸发皿1香达96.57°32.13°197020、80cm口径蒸发皿(5—9月观测)2塘上99.32°27.15°1985E601型蒸发皿、80cm口径蒸发皿3光明101.02°22.58°1987E601型蒸发皿、20cm口径蒸发皿4炼城100.00°26.10°1966、1970E601型蒸发皿、80cm口径蒸发皿198220cm口径蒸发皿(6—12月观测)、80cm口径蒸发皿(7—12月观测)5江桥100.17°23.55°1985E601型蒸发皿,20、80cm口径蒸发皿198720、80cm口径蒸发皿6允景洪100.78°22.03°1982E601型蒸发皿(9—12月观测)、80cm口径蒸发皿198520、80cm口径蒸发皿

1.2 研究方法

采用系数折减方法研究不同蒸发皿观测值之间的转换关系，E601型蒸发皿与20、80 cm口径蒸发皿同期蒸发量之间的折减系数计算公式为：

(1)

(2)

式中：K20、K80分别为口径20 cm和80 cm蒸发皿观测值的折减系数；E601、E20和E80分别为E601型蒸发皿与20、80 cm口径蒸发皿(D20、D80)在相同时段内的观测值。

此外，通过点绘E601型蒸发皿观测值与20、80 cm口径蒸发皿的观测值之间的相关性散点图，分析二者之间的相关性，进而构建其线性或非线性转换关系。即：

E601=f(E20)，

(3)

E601=g(E80)。

(4)

式中：f(E20)和g(E80)分别为20、80 cm口径蒸发皿的观测值向E601型蒸发皿观测值的转换函数。

为评估不同蒸发皿观测值之间转换关系的有效性，采用纳什效率系数NSE和相对误差RE来评估不同蒸发皿实测值与计算值之间的拟合程度[9]。如果NSE越接近1，同时RE越接近0，则说明二者拟合效果越好，不同蒸发皿观测值之间的转换关系也更加有效。

2 结果与讨论

2.1 蒸发折减系数的年内变化

蒸发折减系数是最为直接和简便的一种水面蒸发同化处理途径，基于不同蒸发皿的逐月观测资料，图2给出了澜沧江流域不同气象站点D80和D20蒸发皿折减系数的年内变化。

由图2可以看出：

1)不同站点的蒸发折减系数不同：如塘上站K80相对较小，平均为0.67；炼城站和江桥站的K80均值均为0.76，相对较高；江桥站K20均值为0.68，而光明站为0.79。总体来看，上游站点海拔较高，蒸发折减系数较小，下游站点海拔相对较低，蒸发折减系数相对较大；不同站点之间的蒸发折减系数的差异一般在15%以上。

2)蒸发折减系数具有一定的季节性差异：江桥站K80的季节性差异表现得尤其突出，该站K80在9—12月份较大，超过0.8，其余月份相对较小，不到0.7；允景洪站只有4个月份的同期观测资料，此站点K80变化与江桥站的接近，与其他站的差异较大，这可能与其地理位置有一定关系，江桥站和允景洪站均位于澜沧江下游，气候、地貌、植被等自然条件接近，而与其他站点自然条件差别相对较大。

3)就所有站的平均状况而言，K80在0.74左右变化，其中，1—8月份较小，为0.68～0.73；9—12月份相对较大；后期的3个月份超过0.8，这主要是受到江桥站、允景洪站在该时期高值的影响。K20总体略小于K80，在0.72左右变化，从1—12月份，K20有总体增加的趋势。

4)炼城站具有2 a(1966年和1970年)采用E601和D80蒸发皿进行同期观测澜沧江流域水面蒸发量的资料，由这些资料可以看出，尽管不同月份蒸发折减系数K80存在差异，但2 a的K80变化态势较为稳定且表现一致。

因此，对于同一站点来说，如果有不同蒸发皿的同期观测资料，则可以采用月折减系数进行蒸发的同化处理；对于不同区域的站点来说，若采用统一的蒸发折减系数进行同化处理，将会产生较大的误差。

图2 澜沧江流域典型气象站点K80与K20的年内变化

2.2 不同蒸发皿观测值之间的转换关系

构建不同蒸发皿实测值之间的定量关系是实现水面蒸发同化处理的另外一种重要途径。根据同期观测的月水面蒸发资料，点绘了澜沧江流域不同站点的E601蒸发皿实测月水面蒸发量与同期D80和D20蒸发皿的该实测值之间的相关性散点图，如图3所示。

从图3可以看出：

1)所有的点群均在1∶1线之下，说明E601蒸发皿观测值小于D80和D20蒸发皿的观测值。

2)尽管不同站点和月份的E601蒸发皿观测值与其他两种蒸发皿观测值之间的比值差别较大，但二者具有很好的相关性。统计结果表明，E601蒸发皿观测值与D80和D20蒸发皿观测值之间的线性相关系数均在0.9以上。

基于E601与D80、D20蒸发皿观测值之间的相关性分析，构建二者之间的转换关系如下：

E601=0.576 2E20+18.87，r=0.95；

(5)

E601=0.683 1E80+7.90，r=0.93。

(6)

由式(5)和式(6)可以推导出D80与D20蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换关系：

E80=0.843 5E20+10.97。

(7)

式中，E601、E20和E80分别为E601型蒸发皿与D20、D80蒸发皿观测的月水面蒸发量。

图3 澜沧江流域逐月E601实测值与E80和E20实测值之间的相关图

2.3 不同蒸发皿观测值转换关系的有效性分析

利用澜沧江流域不同站点D20或D80蒸发皿的观测资料，根据式(5)(6)(7)分别计算同期的E601和E80或E20，图4和图5分别给出了E601、E80的实测值和转换计算值之间的对比情况。图4和图5中的“E601-80计算”、“E601-20计算”分别为根据D80、D20蒸发皿的实测值转换计算的E601蒸发皿水面蒸发量，图5中“E80-20计算”为根据D20蒸发皿实测值转换计算的D80蒸发皿水面蒸发量。表2统计给出了水面蒸发量实测值与计算值的拟合效果。

图4 澜沧江流域不同站点E601蒸发皿实测值与转换计算值对比

图5 澜沧江流域不同站点D80蒸发皿实测值与转换计算值对比

站名E601水面蒸发量拟合效果NSE-80/%RE-80/%NSE-20/%RE-20/%D80水面蒸发量拟合效果NSE-20/%RE-20/%香达74.29.4塘上88.74.3光明95.3-3.5炼城97.6-3.2江桥91.41.594.81.789.34.3允景洪85.2-4.697.2-0.4

注：表中NSE-80、RE-80为根据D80蒸发皿实测值的拟合效果，NSE-20、RE-20为根据D20蒸发皿实测值的拟合效果。

由图4、图5和表2可以看出：

1)根据D20和D80蒸发皿实测值计算的E601蒸发皿水面蒸发量与实测值总体吻合，NSE均超过85%，其中，光明站和炼城站NSE高达95%以上，所有各站年水面蒸发量的计算误差也较小，最大相对误差为4.6%。

2)根据D20蒸发皿实测值计算的D80蒸发皿水面蒸发量,与其实测值拟合良好；香达、江桥和允景洪3个站点的NSE分别为74.2%、89.3%、97.2%；D80蒸发皿年水面蒸发量的计算相对误差只有香达站较大，为9.4%；其次为江桥站，相对误差为4.3%；允景洪站相对误差最小，不到1.0%。

3)利用D20、D80蒸发皿实测值和不同蒸发皿水面蒸发量之间转换关系计算的E601蒸发皿水面蒸发量，在位于中上游的塘上站有系统性偏大现象，而对位于下游的允景洪站存在系统性偏小情况；计算的D80蒸发皿水面蒸发量在位于上游的香达站也存在系统性偏大情况，这可能与测量误差或地理位置有一定关系；但是，所有站点的水面蒸发计算值的相对误差均在可接受的范围内。

由上述分析可以看出，根据不同蒸发皿水面蒸发之间的转换关系进行澜沧江流域水面蒸发的同化处理，实测值与计算值具有很好的一致性，且计算误差较小。因此，构建的不同蒸发皿观测值转换关系是非常有效的。

中国在20世纪70年代之前主要采用D20、D80蒸发皿进行水面蒸发量观测，后期采用E601蒸发皿进行水面蒸发量观测，由于不同蒸发皿之间的观测值存在差异，很难形成长系列的观测资料用于蒸发演变规律分析。因此，在20世纪70、80年代开展了不同蒸发皿的同步观测，其目的就是寻求二者之间的转换关系，以便进行资料的同化，进而形成具有一致性的资料系列。统计结果表明：在澜沧江流域进行水面蒸发同步监测年份的气候条件差异较大，如炼城站1966年的年降水量(1 114 mm)为历史最大值，而1970年的年降水量只有734 mm，与多年均值基本相当；在降水条件差异较大的条件下，尽管水面蒸发差异也较大，但不同蒸发皿实测的水面蒸发量保持了较好的相关性。由此说明，这种蒸发皿实测水面蒸发量的转换关系对不同的环境条件具有较好的稳定性，可以用于过去或未来气候变化条件下不同蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换。

3 结语

1)澜沧江流域不同站点的蒸发折减系数存在一定的差异。在地理分布上，海拔高的中、上游站点蒸发折减系数相对较小，下游站点蒸发折减系数相对较大；在年内分配上，春、夏季节蒸发折减系数总体小于秋、冬季节。

2)E601型蒸发皿与口径分别为20 cm和80 cm蒸发皿的水面蒸发量观测值差异较大，口径为20 cm蒸发皿的观测值最大，E601的观测值最小。但不同蒸发皿观测值之间具有很好的线性相关性，相关系数均在0.95以上。

3)不同蒸发皿实测水面蒸发量之间的转换关系能够有效地进行澜沧江流域水面蒸发的同化处理，计算的水面蒸发量与实测值非常接近，拟合的效率系数多在90%以上，计算的相对误差也较小，能够满足水面蒸发计算的精度要求。

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ConversionalRelationshipbetweenDifferentPanEvaporationsfortheLancangRiverBasin

LIU Cuishan1,2， LI Haichuan1,3， WANG Guoqing1,2， WANG Yueyang4， WAN Sicheng1,3

(1.Research Center for Climate Change, Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China； 2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;3.Institute of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China；4.Ninghai Middle School, Nanjing 210026, China)

The assimilation of pan evaporations is a premise and basic work for analyzing spatial and temporal distribution of potential evaporation with long term data series. Based on the synchronous observation of pan evaporations measured by different evaporator of typical stations in the Lancang River Basin, the conversional relationships between different pan evaporations were investigated. The results show that: ① Conversion coefficients between pan evaporations exhibit regional difference with higher value occurring in the middle and upper reaches and lower value existing in the lower reaches. Meanwhile, conversion coefficients in spring are larger than that in the winter; ② Pan evaporation measured by E601 is highly correlated to that measured by pan evaporators of D80 and D20 with correlation coefficient of >0.95; ③ The established conversional relationships between different pan evaporations could be used for assimilation of pan evaporation in the Lancang River Basin. The recorded and simulated pan evaporations match well, indicating that the relationship could meet the requirement of accuracy for conversion of pan evaporations.

potential evaporation; conversion coefficient of pan evaporation; conversional relationship; the Lancang River Basin

乔翠平)

TV11

A

1002-5634(2017)06-0072-06

2017-06-14

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFA0601601，2016YFA0601501)；国家自然科学基金项目(41401026,41330854,41371063,41401024)。

刘翠善(1981—)，女，山东招远人，高级工程师，博士，从事气候变化与水资源管理方面的研究。E-mail：csliu@nhri.cn。

王国庆(1971—)，男，山东成武人，教授，博士，从事气候变化和水资源评价等方面的研究。E-mail：gqwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.011